直驱轴向磁场永磁同步风力发电机的设计

邓秋玲,李春菊,许志伟

(湖南工程学院电气信息学院,湘潭 411101)

直驱轴向磁场永磁同步风力发电机的设计

邓秋玲,李春菊,许志伟

(湖南工程学院电气信息学院,湘潭 411101)

当电机极数足够多,电机轴向长度与外径的比率足够小时,轴向磁场电机的转矩和功率密度比传统径向磁场电机大.另外,轴向磁场永磁电机还有许多其它优点,如结构简单,轴向长度短,节约材料等,因此轴向磁场永磁同步发电机特别适合于直驱风能转换和电动车应用场合.阐述轴向磁场永磁同步发电机的结构和设计特点,重点介绍磁极和电枢绕组的设计,为轴向磁场永磁同步发电机的设计打下基础.

轴向磁场;永磁;同步发电机;电机设计

0 引 言

风轮发电机的理想特性是制造成本低,电机性能优良,运行可靠,易维护、效率高等.由于稀土永磁材料、电力电子技术和数值计算技术的发展,永磁同步发电机最近在风能转换系统中获得了广泛的应用.风力发电系统的可靠性和效率又可以通过使用直驱永磁同步发电机而得到进一步提高.然而,直驱发电机的低速特性需要很大的转矩,要求电机有较多的极数,有较大的直径,使得电机内部有很多空间不能充分利用.这就是直驱发电机通常比传统发电机要重、经济性差的原因.为了在商业上更具竞争力,必须对低速大直径的发电机在成本、功率密度和效率等方面进行优化[1].

众所周知,如果电机的极数足够多,轴向长度与外径的比率足够小时,轴向磁场永磁(AFPM)电机的转矩和功率密度比传统径向磁场永磁(RFPM)电机大[2].轴向磁场永磁电机还具有结构紧凑、转动惯量小,节约材料,定子绕组散热条件良好的优点,还可以做成多定子、多转子的多气隙结构,以提高输出功率.因此轴向永磁同步发电机特别适合应用于风能转换和电动车辆场合.

由于轴向磁场电机的结构不同于传统径向磁场电机的结构,因此在电磁设计和结构设计上也有不同的要求.本文就电磁设计和结构设计方面的问题作一些探讨,为轴向磁场永磁同步电机的推广应用打下基础.

1 轴向磁场永磁同步发电机结构特点

在轴向磁场电机中,定、转子均为圆盘形,在电机中对等放置,因此也称为盘式电机.最小的盘数是2,但是为了使电机结构更具对称性以消除盘与盘之间的磁拉力,并且为了得到更大的气隙面积以增加输出,一般都使用三个盘,或三个以上的盘.若外面的两个盘是转子,中间盘为定子,则称为内定子结构(有的文献称为Torus结构),如图1(a),(b)所示.相反,若中间盘为转子,外面的两个盘是定子,则称为内转子(IR)结构,如图1(c),(d)所示.

1.1 磁路结构

对于有三个盘的轴向磁场电机,可以形成两种不同的磁路方案,即所谓的NS方案,定子两边的正对面一个为N极,另一个为S极,磁通径直通过位于中间的定子而不需要在定子内产生周向的流通,因此不需要定子轭部,如图1(a)所示,定子是开槽的,因此简称为NS(NS方案)T orus-S(开槽)型.相反,如图1(b)所示的NN方案,则两个N磁极正对着定子的两边,因此,磁通必须沿着定子轭周向地流通,这种结构简称为NN Torus-S型.

图1 轴向磁场电机结构方案

1.2 铁心的构造形式

轴向磁场电机按照电枢结构可分为有铁心电机和空气铁心(无铁心)电机.无铁心结构的轴向磁场电机的电枢是由绕组注塑而成.有铁心的轴向磁场电机的定子铁心是通过将硅钢片带料卷绕后再进行槽加工或将冲好槽的硅钢片带料卷绕而成.铁心开槽时,可以减小有效气隙而增大气隙磁密,减小所需永磁体用量,因而可以降低发电机的成本.但在槽加工过程中,会遇到叠片之间的短路问题,当绕制冲好槽的叠片带的时候,存在预先打孔的槽难以对齐的难题.因此,轴向磁场电机的电枢铁心是轴向磁场电机制造的难点.也有许多AFPM电机采用无槽结构,如图 1(d)所示 ,称为 AFIR-NS(无槽)型 .无槽铁心电机的优点是消除了铁心齿损耗,齿槽转矩和噪声.但电机有效气隙增大,所用永磁体用量增加.

转子由高性能的永磁体和转子铁心构成,为了牢固起见,一般将永磁体用螺丝钉固定在转子铁心上,再用玻璃纤维绑扎带稍微绑扎一下.为了降低转子铁心损耗,转子铁心一般由硅钢片卷绕而成,但有时也采用整块钢制成,因为通过转子铁心的主磁通不发生变化,通过转子铁心的二次谐波磁通会发生变化.

1.3 定子绕组

在轴向磁场电机中使用的绕组与传统径向磁场电机一样,有迭绕组、波绕组和集中绕组.集中绕组可绕在与气隙平面平行的平面上,也有沿电枢铁心轭部环绕的,叫环形绕组,或背对背绕组.迭绕组是最基本的绕组形式,但是槽满率较低,通常只有50%,而使用方线时背对背绕组的槽满率可以高达80%.这种环形绕组结构十分简单,它可以均匀的环绕在铁心上,可以灵活的选择节距以改善电动势和磁动势波形,线圈尺寸相同,便于制造,可以组成较多的并联支路,端部形状整齐,有利于散热和增强机械强度.背对背绕组的另一个优点是绕组端部很短.

一般情况下,双转子AFPM电机的总体性能较好,定子开槽的双转子AFPM电机,如图1(a),(b)所示,是最重要的两种轴向磁场电机.文献[3]中,Huang比较了这两种电机,得到结论:NN型双转子定子开槽(NN Torus-S)电机的定子轭部比较大,因为有两个转子磁极产生的磁通通过它,定子轭长是一个特别重要的参数,它不仅影响电机的重量,还会影响铁耗.但是它可以使用槽满率高的背对背绕组,这大大减小了绕组端部的突出高度,增加了电机的功率密度和效率.

相反,NS型双转子定子开槽(NS Torus-S)的电机有较短的定子轭,这样增加了功率密度,降低了损耗.然而,为了产生转矩,不能用环形绕组,必须采用槽满率低的迭绕组,且绕组的端部较长,这样增加了电机的外径,增加了损耗,降低了功率密度.虽然后者的功率密度和效率稍高一些,但总的来讲,这两种电机的性能是相差不大的.

2 轴向磁场永磁同步发电机的电磁设计

2.1 轴向永磁同步电机的主要尺寸方程

用D30表示的轴向磁场电机尺寸方程[4]:

为了得到用D20Le表示的尺寸方程,定义KL=D0/Le,即轴向磁场电机表面比系数.

最后得到轴向磁场电机的通用尺寸方程:

式中:PR为电机的额定输出功率,Kφ=Jr/Js为转子电负荷和定子电负荷的比值(若电机中没有转子绕组,则 Kφ=0),m为电机的相数,m1为每个定子的相数,Ke为电动势系数,Kp,Ki分别为电功率和电流波形系数.η为电机效率,Bg为气隙磁密,A为电负荷,f为变流器频率,p为电机的极对数,Le为电机的轴向长度.

λ=Di/Do是盘式永磁电机磁极的内径Di和外径Do之比,近似为电枢内径与外径之比.称为电枢直径比,它是盘式永磁电机初始设计时的重要几何尺寸比.

从式(1)可以得到电枢外表面的直径Do:

2.2 永磁磁极的设计

盘式有槽电机的永磁体轴向长度LPM可表示为:

μr为相对回复磁导率,Br为永磁体的剩余磁通密度,Kd是通过有限元研究或通过实际经验得到的永磁电机的漏磁系数,Kc为卡特系数,Kf为盘式电机的气隙磁通密度在径向方向上的最大值修正系数.

在径向磁场电机中,定子齿沿轴向方向有一个固定的齿宽,因而卡特系数是个常数.而在轴向磁场电机中,为了提高槽满率,定子槽形为矩形,而定子齿只能为梯形.结果,电机气隙磁阻不仅沿切向方向变化(如径向磁场电机那样)也会沿径向方向变化.若所施加的气隙磁势为常数,结果使气隙磁密不均匀,靠近内径的地方,因齿的区域较窄,使铁心饱和,而在靠近外径的地方,因齿区域较宽,而不能有效地利用永磁体.定子齿的几何尺寸决定了气隙磁通密度的分布.在电机设计中,用卡特系数来表示在不变磁势作用下,由于定、转子开槽而引起气隙磁密的变化.考虑到图2所示的定子齿的几何尺寸,卡特系数可用下式表示[5]:

这是一个积分形式的卡特系数,与齿宽为(w1+w2)/2,齿长与梯形齿长度相同的齿的卡特系数等效,是一个定值.实际上,对于轴向磁场电机,由于靠近内径处,定子齿很窄,齿部饱和严重.若考虑饱和的效果,卡特系数是半径的函数,如图3所示.

为了获得最佳磁性能,必须对磁极形状进行最佳设计,可以使用等效磁路法计算出定子齿的气隙磁密分布,然后就可以近似得出磁极几何形状.

2.3 电枢绕组的设计特点

直驱永磁风力发电机的极数较多,若每相每极槽数q为一个整数,则需要开较多的槽,使得电机内径处的齿宽变得很窄,这是不实际的.因此大的极对数限制了每相每极槽数,这将会使感应电动势波形变坏.对于极数多的电机来说,有时不得不采用分数槽绕组.而在极数多的电机中采用分数槽绕组可以实现集中非重叠绕组.

在向径磁场电机中使用集中或非重叠绕组有某些优点,其中包括①由于电机的端匝长度缩短,缩短了电机总的轴向长度.②由于减小的线圈数和简单的绕组结构,降低了定子绕组的成本.一般来说,集中绕组电机的缺点是绕组系数低,降低了输出转矩.然而,在极数多的电机中,通过使用合理的极数和槽数配合,这种分数槽结构的绕组不仅可以实现非重叠集中绕组,同时会得到高的基波绕组系数.

2.4 降低齿槽转矩的措施

在直驱风轮应用中,要求发电机的转矩应该平稳,意味着齿槽转矩的幅值要小.这可以改善风轮在低风速时的起动性能,减小振荡.

降低径向磁场电机齿槽转矩的方法有:采用合适的定子槽数和转子极数的配合;最佳的极弧形状;斜槽和斜磁极;减小槽开口等.这些方法理论上可以应用到轴向磁场电机上,但还要考虑轴向磁场电机结构的特殊性.文献[6]对降低轴向磁场永磁电机齿槽转矩和功率损耗的技术方法进行了实验研究和比较,得出了一些结论:使用磁性槽楔(可由粘结的磁性材料做成)闭合槽口,斜磁极,在两个转子盘之间引入一个30°的角度偏差(半个槽距),选择适当的磁极宽度等措施,可以降低有槽轴向磁场电机的齿槽转矩和定子铁心的功率损耗[7].

3 结束语

因为径向磁场直驱永磁风力发电机直径大,转子内部的很多空间不能充分利用,使得它的功率密度较低,经济性差.虽然轴向磁场永磁电机存在电枢铁心制造难的缺点,但随着新型材料的引入,如用注塑材料形成空气铁心绕组,或采用软磁复合材料(SMC)来形成电枢铁心,可以克服电枢铁心制造困难的缺陷.又因轴向磁场永磁同步电机的结构紧凑,功率密度高、能做成多定子、多转子的多气隙结构、还能实现模块式结构等系列优点,轴向磁场永磁同步发电机必然会在风力发电领域和电动汽车领域中得到广泛的应用.

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[5]Alejandro Rojas,A.Tapia,M.Anibal Valenzuela.Axial flux PM M achine Design with Optimum Magnet Shape for Constant Power Region Capability[C].Proceedings of the 2008 International Conference on Electrical Machines,2008:1-6.

[6]F.Caricchi,F.Giulii Capponi,F.Crescimbini,L.Solero.Experimental Study on Reducing Cogging Torque and core Power Loss in Axial-flux Permanent-magnet Machines with Slotted Winding[J].IEEE Transaction on Magnetics,2002,14(2):1295-1302.

Design of Direct-drive Axial Flux Permanent Magnet Synchronous Wind Power Generator

DENG Qiu-ling,LI Chun-ju,XU Zhi-wei
(College of Elect.and Information,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411101,China)

Axial flux machines can compete with the traditional radial flux machines in terms of torque density if the number of pole-pairs is sufficiently high and the ratio of axial length to outer diameter is low.Moreover,axial flux machines have many other advantages,such as simple structure,small axial length and saving materials.So axial flux permanent magnet synchronous generator is particularly suit able for direct-drive wind energy conversion and electric vehicle occasions.The paper deals with construction and design characteristics of axial flux permanent magnet synchronous generator and puts a stress on the design of magnetic pole and armature windings which lays a foundation for designing the machine.

axial flux;permanent magnet;synchronous generator;electric machine design

TM315

A

1671-119X(2010)01-0009-04

2009-10-26

湖南省教育厅科研资助项目(05C571)

邓秋玲(1966-),女,在读博士,副教授,研究方向:风力发电.